圧縮芯をもつ鋼管橋脚の耐震性能実験

愛知工業大学研究報告 第41号B平成18年

115

圧結;誌をもっ鋼管播騨の耐震性能実験

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Abstract Since the Great Hannsin Earthquakふ manyresearches had been performed experimental

studies on the steel bridge piers. But few works had presented high performance of seismic resistance for them. In this study， new idea improving the ductility of steel bridge piers is proposed

，

in which steel piers have a central core column. Cyclic loading test is conducted to certify the seismic performance using steel tub巴Sof steel grade 33400 and STK400 with 600mm diameter， changing the radius to thickn己ssparameter Rt= 0.066 to 0.131 and the axial force ratio

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0陶15to 0.35.Comparing with conventional piers

，

the pier models with central core column show an exceUent high seismic performance.

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キーワード:錦管橋脚，圧縮芯，酎震性能 1.序論 都市高架高速道路は，災害時に都市機能を維持するた めの主要交通道路としての重要性が大きく，高い安全性 が要求されている.1995年に発生した兵庫県南部地震以 来，鋼製橋脚の耐震安全性に関して実験的，理論的研究 1)2) 3) 4) 5)が大量になされてきたが，耐震性能の大きい構造 形式が実現できたとは言いがたい. 耐震性能を表す主な項目には，強度，塑性変形性能， エネルギー吸収性能がある.構造物の強度を増加させる には，より強度の大きい材料を使用するか，大断面寸法 を用いればよく，一般に強度は最低要求水準を満たすよ う経済的制約条件できまる.不確定性の大きい地震力に 対して，強度のみで対応することは現実的でなく，設計 で想定する以上の大きさの地震力に対しては，塑性変形 性能で対応せざるを得ない.エネルギ}吸収性能は地震 時の構造物の減衰性能を高めるため重要な特性であるが， 塑性変形性能が大きければ必然的にエネノレギー吸収性能 は上がる.よって構造物の耐震設計では，ある一定レベ ル以上の強度を確保した上で，塑性変形性能の優れた構 造物が求められる.さらに地震終了後に，構造物が本来 う表現を主として「塑性変形性能J と同義に使用してい る. さらに公共構造物の建設コスト削減は昨今の重要な 課題である.コストを下げるために鋼構造物を薄肉にす ると，外力が繰り返し作用する地震時に，早期に局部座 屈が生じ，必要とされる変形能が十分に期待できない. また，鋼製橋脚の場合は軸力の大きな部材では変形能 がより低下することが知られている.逆に，軸力が小さ くなるにつれて変形能は大きくなる.これに対処する鋼 製橋脚として，その中心部に安価なコンクリートパイル を設け，これに圧縮力を受け持たせ，鋼断面部の座屈を 防止する構造が考えられる. 本実験では，縮小供試体のサイズの関係で，コンクリ ートパイルの代わりに供試体中心部の圧縮芯としてコン クリ}ト充填鋼管を用いる.実験供試体に上部工重量を 想定した鉛直力を圧縮芯に受け持たせ，地震時の慣性カ に相当する水平力の繰り返し載荷実験を行って，その耐 震性能を明らかにする. 2.実験計画および方法 持っている機能の回復が早いもの，損傷後の補修容易な 2.1 実験計画 ものが望まれる.以上から本論文では， I耐震性能」とい 本実験では圧縮芯のない供試体(-NC)と圧縮芯のあ T 愛 知 工 業 大 学 大 学 院 建 設 シ ス テ ム 工 学 専 攻 t t愛知工業大学都市環境学科土木工学専攻(豊田市) る供試体(一CR)の2種類の供試体を用いる.これらの供 試体を用いて「圧縮芯の有無J， I径厚比パラメ}タの影 響J，I軸カ比の影響」を検討する.実験計画を表一lに示 す.

116 愛知工業大学研究報告，第 41号 B，平成 18年， Vol.41-B，Mar，2006 圧縮芯の役割は，圧縮芯の軸剛性が大きいため橋脚に 作用する鉛直荷重はすべて圧縮芯にかかることが期待さ れる.また水平荷重による曲げに関しでも，鋼管橋脚の 圧縮側に作用する曲げ圧縮力は，破壊の進行度によって も変わるがその大半は圧縮芯により受け持たれ，曲げに よる引張力は圧縮芯のない従来の鋼管橋脚と同様，鋼管 橋脚基部の引張側で受け持つと考えられる. 従来，鋼管橋脚は，ひとたび基部に象足座屈が生ずれ ば水平荷重は急速に失われ，崩壊に至る.圧縮芯を設け ることにより，このような座屈崩壊を防ぐというのが圧 縮芯の基本的役割である. 2圃2 供語体の実験パラメータの設定 供試体の実験パラメータの設定は以下のように定め た.道路橋設計示方書11)の許容ひずみEaを求める式の 適用範囲にもあるように，一般的に橋脚として用いられ る鋼管柱の径厚比パラメ}タは 0.03三五Rt壬0.08にある. これは Rt=O. 08以上になると径に比べて肉厚が薄くなり すぎ，地震時に早期に座屈を生じやすく，また座屈後の 変形性能がほとんどないためである.しかし断面性能的 には径厚比の大きいものを使いたいところである.そこ で本研究では径厚比パラメータ変化シリーズで Rt=0.08 を爽んで， Rt= 0.066， 0.098， 0.131の 3種を選んだ. これらをグループRとする. ま た 実 構 造 物 で 軸 カ 比 の よ く 使 用 さ れ る 範 囲 は O. 15豆P/Py壬O.2程度であり，軸力比が大きくなるにつ れて耐震性能は低下する.しかし実構造物では P/Py=0.2 より大きなものも存在し，このような鋼管橋脚への圧縮 芯の効果を調べる必要がある.そこで本実験供試体では， P/Pyを O.15， 0.25， O. 35の 3種と変え，軸力比変化 シリーズとした.この場合，径厚比パラメータは Rt= 0.066一定とした.これらをグ、ループ Pとする. 2.3 実験供詩体 本実験で使用する供試体は 1/3縮小モデ、ルを想定して 外径 D=600皿，供試体高さ h=2880皿の円形断面鋼製橋脚 (以下では鋼管橋脚と呼ぶ)モデルである.供試体は性 能比較のため，圧縮芯のある供試体と圧縮芯のない供試 体を同一条件で各1体ずつ用意する. Group R P 表一1 実験計画 軸力比P/Py

I

径厚比パラメ}タ Rt 0.131 0.15 I 0.098 0.066 0.15 0.25 I 0.066 0.35 グループ Rは実験供試体の鋼種を SS400とし，軸カ比 を P/Py=0.15と一定とし，径厚比パラメータ Rtの影響を 調べる.径厚比パラメータは前述のように Rt=O.131， 0.098， 0.066の 3種とし，各 2体合計 6体用意した.こ れらの径厚比パラメータを実現させるため，板厚 4.5mm， 6.0mmおよび 9.0mmの板材を巻き，溶接して鋼管とした. グノレ}プPでは，供試体すべて同ーの径厚比パラメー タ Rt=O.066を用いるので，供試体製作費の節減のため， 既製の構造用鋼管を使用した.鋼種は STK400とし，軸カ 比 P/Py の 影 響 を 調 べ る . 軸 力 比 は 前 述 の よ う に P/Py=0.15， 0.25， 0.35の 3種とし?各 2体合計 6体用 意したa供試体緒元を表一2に示す.表-2に示す供試体名 のあとに-NCを記したものを圧縮芯のない供試体とし， -CRと記したものは圧縮芯のある供試体として区別す る.なお，径厚比パラメータ Rt，細長比パラメータ λ は式 (1)， (2)によって与えられる.また供試体断面図お よび側面図を図-1，図 2に示す. ここで， v=ポアソン比，

σr

鋼材の降伏応力， D=外径， E=ヤング率，七=板厚， h=載荷点高さ. 表-2 供試体緒元 Group グ、ノレープR グ ル ー プP 供 試 体 名 R4.5

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1 P251

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鋼 種 SS400 STK400 載荷点位置 h(皿) 2880 2880 供 試 体 長 さ h' (皿) 2600 2600 外 径 D(皿) 600 600 板 厚 t(皿) 4.5

I

6 9 9 細 長 比 パ ラ メ ー タ

λ

0.30 0.30 径 厚 比 パ フ メ ー タ Rt 0.131 10.098 10.066 0.066 軸 力 比 P/Py O. 15 0.15

I

0.25 10.35 ※-NC， -CRとも同一緒元の供試体のため省略して表記

117 圧縮芯をもっ鋼管橋脚の耐震性能実験 反力床 正面圏 4400kNアクチュエータ (水平荷重載荷用)

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一一一』ーーー___r一一一 -U 供試体 日鉛直荷重P 水平荷重H

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一 帯 (b)~有り (-CR) 供言式体断面圏 (a)革無し(-NC) 園ー1 。鉛直荷重P (a) 載荷ビ}ム 載荷ブロック ゲ H N

∞

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O園田 町 、 HM 由 。 。 回 目 水平荷重 H 〈二二三>ベ

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O 園 田 FUHN 由。。自国 (b)芯有り (-CR) (畠)志無し(-NC) 側面園 実験載荷装置

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+o"y 供試体側面園 2.4 実験載荷装置 図-3に実験載荷装置を示す.供試体を反力床に固定し， 供試体の上に載荷ブロックを設置し，鉛直荷重載荷用の 載荷ビームを設置する.上部工重量を想定した一定鉛直 荷重Pは，載荷ビームの両端に4400kNアクチュエータ を1基ずつ取り付け，これを鉛直方向下向きに一定力を 載荷することにより実現する. 地震時の上部工重量の慣性力を想定した繰り返し水平 荷重 Hは，載荷ブロックに水平に4400kNアクチュエータ 1基を取り付け載荷する.アクチュエ}タの両端はピン 構造になっており，供試体の大変形にも対応できる.鉛 直アクチュエータの傾きによって，水平分力が生じるが これを水平アクチュエ}タの荷重の読みに加えて供試体 への水平荷重とした. 圏一2 載荷パターン 実構造では橋脚中心の圧縮芯に，安価なコンクリ}ト パイルを用いることが考えられるが，実験では 1/3~1/4 の縮小モデルを用いるため，圧縮芯も小型にせざるを得 ず，また2000kN近い高強度に耐えうるため小口径のコン クリート充填鋼管を使用する. 圏一4 (1 )圧縮志の構成 コンクリ}ト充填鋼管製の圧縮芯は鋼管，充填コンク リート， PC棒，球芯，球座から成る.鋼管は材質問490， 外径D=165. 2皿，板厚t=7皿，高さ h=2490皿を使用し た.鋼管の中に高強度コンクリートを打ち， PC棒で圧縮 2圃5 実験載荷方法 実験では，一定鉛直荷重のもとで，地震時の上部工重 量の慣性力を想定した水平荷重 Hを載荷する.繰り返し 水平荷重は図 4に示すように1サイクル巨の降伏水平変 位

oy

を基準とし，土18y，士28y， :t38yo・・のように 漸増載荷を行う.水平荷重Hが最大水平荷重Hmaxに達し た後，降伏水平荷重Hyまで低下した時点で実験終了する. Hyまで低下しない場合，降伏水平変位8yの10倍に達す るまで載荷を続ける. 圧縮~ 2.6

118 _{愛知工業大学研究報告，第41号 B，平成 18年，Vol.41-B，Mar，2006} 図-5 圧縮;罫額略図 をかけることにより排水させ，コンクリ}ト強度をさら に増加させる.コンクリ}トを高強度とするため減水剤 (HP-ll)を国混入している.コンクリートの 28日圧縮強 度は平均84.7N/皿 2であった. 鋼管の両端に球芯を取り付け，球芯を球座に合わせる ことによりピン構造として機能するようにする.ピン支 持部品は，材質SS400の鋼材から加工されている.圧縮 芯概略図を図-5に示す. (2)圧縮志の設置 図-6に圧縮芯設置概略図を示す.鋼管の上下部には圧 縮芯を設置する穴が開けてあり，圧縮芯下部は鋼管橋脚 下部と同様，ピン回転部品を介して基礎に固定する.鋼 管橋脚上フランジは図-6(b)に示すように載荷ブロック とボルト結合するが，ボルト締め付け前に圧縮芯上端の 球座をくさびに介して載荷ブロックに固定し，鉛直荷重 がすべて圧縮芯にかかるようにする.くさびをスクリュ ーで押し込んで載荷ブロックと密に接触させた.その後， 曲げによる引張力が鋼管橋脚に伝わるように鋼管橋脚の 上部フランジと載荷ブロックをボルト結合した. 載荷ビーム 載荷ブロック

世

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三

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縮 圧 n H H O V (a)全体園 (b)供観体上部 園-6 圧縮志設置概略圏 3.実験結果 3.1 鋼材引張説験結果 実験前に鋼管橋脚供試体材料の各供試体に対し3体の 引張試験を行った.引張試験結果の平均を表-3に示す. 表-3 引瞳詰験結果 町 一

9

市 一 知 一 問 3.2 降伏水平荷重 Hy，降伏水平藍位 δy はじめに，公称降伏応力σFを用いて鋼管橋脚の降伏軸力 Py= a F • A (Aは鋼管断面積)を求め，実験で設定した軸 力比P/Pyから軸力 Pによる応力 aN=P/Aを算定する.つ ぎに引張試験により得られた鋼材の降伏応力ayを用い， 式(3)から降伏水平荷重 Hyを算定した.実験では鋼管橋 脚に水平荷重Hを載荷していき，これがちょうどHyに達 したときの変位を降伏水平変位/5yとして定めた.なお， 比較を容易にするため圧縮芯のある供試体の降伏水平変 位/5yは圧縮芯のない供試体と同じ値を用いた.降伏水 平荷量Hy，降伏水平変位 δyの算出結果を表-4に示す.

P

，

Z

Hv=(σV

E

ー):-y ' Y

A' h

(3) ここに， σy:鋼材の降伏応力， P:軸力， A:断面積， Z:断 面係数， h:供試体高さ. 表-4 降伏水平荷重 Hy，降伏水平変位 δy Group 供試体名 Hy(kN) 降 伏 水 平 変 位 R4.5-NC 77

o

y (皿) R4.5-CR 76 9.45 R R6.0-NC 117 R6.0-CR 120 12. 7 R9.0-NC 178 R9.0-CR 175 13.2 P15-NC 248 P15-CR 246 15.6 P P25-NC 221 P25-CR 223 14.4 P35-NC 196 P35-CR 196 12.1 3.3 水平荷重一水平変位麗壁曲線 圧縮芯のない供試体6体と圧縮芯のある供試体6体に 対する繰り返し載荷実験によって得られた水平荷重一水 平変位履歴曲線を図 7，図-8に示す.図 7(a)~ (c)は径 厚比パラメータRtを変えた供試体 6体についてまとめた グループRであり，図 8(a)~ (c)は軸力比 P/Pyを変えた

119 200 200 一-R9.0-NC -ーーー--R9

ル

C 100 100 (b) 供詩体損傷状況(実験終了時) Rt=O.065 p/Py=0.35 0 i 5 (nnn) (10OY) (4δy) (0) -100 嗣100 (0) (謹厚比パラメータの違い) (軸力比の遣い) P25-NC P25-CR .400 Lー -200 ﹂

ω

凸 u q z b A U 400 200

。

-200 400 200 Z ょ4 国 .200 ( Z ﹄ ) 国 (昌) 200 200 圧縮芯をもっ鋼管橋脚の耐震性能実験 一一一P2テNC ---P25-CR 一-R6.州 C -一一ー-R6.0-CR 写真一1 水平荷重一水平変位履置曲鰻 n H U n u v l ハ り A H U 1 p/py=O咽25 Rt=0.097 水平荷量一水平変位瞳歴曲線 i5(皿) (b) -100 供試体6体グループPを示している. これらの図から明らかなように，圧縮芯のある供試体 (図中破線)は圧縮芯のない供試体(図中実線)に比べ，非 常に大きな履歴を描いており，耐震性能が著しく向上し ていることがわかる. 3.4 座閣の犠子 実験後の供試体損傷状況を写真一1に示す.圧縮芯のな い供試体は， 28yで供試体に象足座屈が現れ始め， 36y で最大荷重を迎え，その後さらに膨らみが大きくなり荷 重が急激に低下した.圧縮芯のある供試体は圧縮芯のな い供試体と同様， 20yで供試体にわずかながら象足座屈 が現れ始め， 30 yで最大荷重を迎えたが圧縮芯のない供 試体に比べれば座屈変形量は極めて少なく，繰り返し変 位が増加しでも，膨らみは大きくならなかった.径厚比 の最も大きい供試体制.5-CRは実験終了後，象足座屈の 上部に凹みが見られた. (b) 3.5 包絡線 繰り返し載荷実験で得られた履歴曲鰻の包絡線を図 9 (a)， (b)に示す.包絡線の縦軸，横軸をそれぞれ Hy， 0 yで無次元化したものを図-10(a)，(b)に示す.図 -9(a)， 図一10(a)はグ、ループR(径厚比パラメータ Rtの違い)につ A り の H U

--樹400 L -200 ﹂ 仰 向 v q t “ A U 4 由 400 200 Z J羽 田 ・200 400 n U A H V

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圏一8 200 圏一7 100 Rt=O.131 胃100 (a) (a) -100

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120 _{愛知工業大学研究報告，第 41} 号B，平成 18年， Vol.41-B，Mar， 2006 いでまとめたもので，図-9(b) ，図-10(b)はグループ P(軸 力比P/Pyの違い)についてまとめたものである.両国と も実線は圧縮芯のない供試体グループ，破線は圧縮芯の ある供試体グループを表している. (a)グループ R(径厚比パラメータ Rtの違い) 図-9(a)より，径厚比パラメータ Rtの違いにより両者 の最大荷重に大きな差が見られるが，圧縮芯の有無に関 わらず両者の最大荷重はほぼ等しい.また圧縮芯のない 供試体は最大荷重後急速に荷重が低下しているのに対し， 圧縮芯のある供試体は最大荷重後に若干の荷重低下があ るものの，大きな変位領域でもほぼ一定の水平荷重を保 持し続けている.圏中の曲線の初期剛性は，供試体によ って径厚比 Rtが異なるため，その違いにより明確な差が 生じている固 図-10(a)では図-9(a)に比べると 6体の供試体のいず れも最大荷重の差は小さくなった.圧縮芯のない供試体 は4ayから6ayで降伏水平荷重Hy以下に低下し崩壊し てしまうが，圧縮芯のある供試体は 10a y以上の著しく 大きな変位でも Hy の約1. 3~ 1. 7 倍の大きな水平荷重を 保有している.このように鋼管橋脚に圧縮芯を設ければ， 変形性能を著しく向上させることができることが分かる. (b)グループP(軸力比p/Pyの違い) 図-9(b)より，同じ径厚比 Rt=0.066で軸力比を変えた 場合，軸力比が大きくなると最大荷重は若干低下してい るが圧縮芯のある供試体は低下が少ないことが特徴的で ある.これは軸力が増加しでも圧縮芯がその多くを分担 し，鋼管橋脚の圧縮側に座屈が生じにくいためと思われ る.また前と同様，圧縮芯のない供試体は最大荷重後急 速に崩壊しているが，圧縮芯のある供試体は最大荷重後 の荷重低下は若干あるものの大きな変位領域まで一定の 水平荷重を保持している.供試体はすべて同じ径厚比 Rt=0.066を用いているため，図中の曲線は弾性域ではす べて初期勾配が等しくなっている. 図-10(b)はこれらを無次元化した図で，圧縮芯のない 供試体が 4åy~5åy あたりで降伏水平荷重 Hy 以下に落 ち，崩壊しているのに対い圧縮芯のある供試体では 10 ayの非常に大きな変形域でも降伏水平荷重Hyの約1.3 ~1. 8 倍もの大きな水平荷重を保持している.無次元化 した場合，軸力比の大きいものの方が最大荷重がより低 下している.この理由は次項で述べる. 3固6 最大強鹿 図-9(a)， (b)の包絡線から求めた各供試体の最大水平 荷重Hmaxおよび降伏水平伏荷重Hyを図 11(a)， (b)に示 す.図-11(a)はグル}プ R(径厚比パラメータ Rtの違い) についてまとめたもので，図-11(b)はグ、ル}プ P(軸力 比P/Pyの違い)についてまとめたものである.図 11(a) の横軸は径厚比パラメータ Rt を表しており図 11(b)の 横軸は軸カ比 P/Pyを表している.各供試体の最大水平荷 重Hmax，降伏水平荷重Hyおよび無次元化量を表-5に示 400 _R

_，

_=O.066

。

50 100 150 a (皿) (a) グループ R

。

50

100

150 0

(皿)

(b) グループP 園-9 包絡線

2

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(b) グループP 圏一10 無次元化包絡線

圧縮芯をもっ鋼管橋脚の耐震性能実験 121 す. (畠)グループR(径厚比パラメータ Rtの違い) 図-11(a)から，径厚比パラメータ Rtが大きくなるに つれて最大荷重が低下する様子がわかる.Hyも同じ割合 で低下しており， Hyで除した最大強度図一12(a)では，図 -11 (a)のような変化は少なくなっている. (b)グループP(軸力比p/Pyの違い) 一方，軸力比を変えた図-11(b)の結果から分かるよう に，軸力比P/Pyによって圧縮芯のある供試体は最大荷重 Hrnaxに大きな差はないものの，Hyは圧縮芯の有無にかか わらず軸力比が大きいものほど小さくなり， Hyで無次元 化した場合，図-12(b)の破線で示すように9 圧縮芯に関 係なく軸力比が大きいものほど最大強度は大きくなって いる.すなわち無次元化によって傾向が変わることに注 意が必要である. 圧縮芯を設けても最大水平荷重が特に増加しない理由 は以下のように考えられるー圧縮芯のある供試体でもな いものでも，大きな水平荷重のもとでは鋼管橋脚基部に 曲げによる引張および圧縮の大きな塑性変形を生じ，そ の部分断面では降伏強度以上にならない.この強度は圧 縮芯の有無に関わらず一定の大きさである.したがって 圧縮芯があっても大きな水平荷重には抵抗できないと考 えられる. 3. 7 塑性率 塑性率は従来の研究でなされているように，最大水平 荷重を過ぎた後，最大水平荷重の 90誕の点での変位を8 90とし，式(4)で定義した.結果を図一13(a)， (b)に示す. 図-13(a)はグループ R(径厚比パラメ}タの違い)につい てまとめたもので，図-13(b)はグループ P(軸力比の違 い)についてまとめたものである. 均 一 y n O 一_P O 一 一 n u n M ノ

u a

(4) (a)グループR(笹厚比パラメータ Rtの違い) 図 10(a)より径厚比パラメータRt=0.066の場合，圧縮 芯のある供試体の塑性率μ90は10以上あるが径厚比パラ メータ Rt=O.O旬、O.131の場合，圧縮芯のある供試体と圧 縮芯のない供試体には塑性率μ90に大きな差が表れてい ない. (b)グループp(軸力比のp/Py違い) 図 10(b)より，軸カ比P/Py= 0.35では圧縮芯のある供 試体は塑性率μ90が10以上あるが，P /Py=O. 15， O. 25の圧 縮芯のある供試体では図-8包絡線にみられるような大 きな変形性能がみられなかった. したがって式(4)で定義した塑性率は圧縮芯のある供 試体の変形性能を適切に表現していない.なぜなら図 7， 図-8から明らかなように，圧縮芯のない供試体は最大水 平荷重後急速に崩壊するのに対し，圧縮芯のある供試体 400 300

5

d

200 100'.0

Rt~0.131

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0.05 0.1 0.15 Rt (a) グループR 400

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0.1 0.2 0.3 0.4 P

l

P

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_{愛知工業大学研究報告，第41号B，平成18年，Vol.41-B，Mar， 2006} では最大荷重後に多少の荷重低下はみられるものの，そ の後の荷重低下はほとんどなく， 108 yという非常に大 きな変位に対しでも Hyを越えるほぽ一定の荷重を保持 しており，式(4)はこのような特性を表現していなし、から である。 変形性能が大きく，大地震時に構造物が崩壊しないと いうことは極めて重要な特性である.この変形性能を表 す特性として塑性率があるが，その定義にはp 最大荷重 点の変位を用いるもの

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の他，従来の研究では式(4)に 示したよう 90弱点ないし9同点を用いたものがあり，明確 な根拠を示した定説はない.今回の圧縮芯のある供試体 の例のように，大変位を与えても荷重は最大荷重点から 約 10話~40九低下するものの，なお Hy を越える荷重を保 有し続ける特別な場合の変形性能を評価するためには， 従来の定義ではなく別の評価法が必要となる.参考のた め108y時点での水平荷重を求めたところ，圧縮芯のあ る供試体は Hy の1. 3 倍~1. 8 倍の荷重を保持していた. これを表 5に示す.そこで今回は最大荷重後， Hyまで低 下する点の変位を用いて塑性率を評価した.圧縮芯のあ る供試体は108yを越えるので，図では矢印を付けてい る.このような低い荷重点を塑性率に用いて問題はない か疑問が生じるが，従来の橋脚のように最大荷重後に急 速に荷重低下を来す場合には，相対的評価としてはどの 荷重点を用いた塑性率でも靭性の評価には大きな差は表 れることはなく(表 5参照)，今回のようなHy荷重点変 位8Hyを用いた塑性率でも，変形能を表現するための物 理的意味はあると考えられる. 本実験では，先に述べたように変位が 108y近くにな ってもポストピークでの荷重低下がほとんどみられなか ったために， 108yで実験を停止している.よって8Hy で定義した塑性率は 10以上の大きな値をもっと考えら れ，圧縮芯を入れたことによる変形能の改善は顕著であ るといえる. 3圃S エネルギー吸収量 各供試体のエネノレギ}吸収量を図-15(a)， (b)に示す. 縦軸はエネノレギー吸収量Eを弾性ひずみエネルギ-Eyで 無次元化し，横軸は変位8を降伏水平変位8yで無次元 化している. 図-15(a)はグ、ループ R(径厚比パラメータ Rtの違い)についてまとめたもので，図-15(b)はグルー プp(軸力比 P/Pyの違い)についてまとめたものである. (8)グループR(桂厚比パラメータ Rtの違い) 図-15(a)より，圧縮芯のない供試体も圧縮芯のある供 試体も48yまではほぼ同じ履歴を通っているが，圧縮芯 のある供試体は 58y以降の大きな変位に対して圧縮芯 の効果が現れ，エネルギー吸収量は著しく増加している. また径厚比パラメータ Rtを小さくするほどエネルギー 吸収量は増加していることがわかる. (b)グループp(軸力比p/Pyの違い) 図-15(b)より，圧縮芯のある供試体はないものに比べ，

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圧縮芯をもっ鋼管橋脚の耐震性能実験 123 r o z o n U A U

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AU n u 咽目且 グループRと同様エネルギー吸収量が飛躍的に増加して いる.また軸力比P/Pyが大きい程エネルギー吸収量は大 きい. 3.9 供試体と圧縮，芯の荷重分担と圧縮誌の投割 供試体に貼り付けたひずみゲージの値により，供試体 に作用する軸力割合を推定する.圧縮芯にもコンクリ} ト充填鋼管にひずみゲ}ジが貼り付けてあるが，今回の コンクリート充填鋼管では圧縮荷重を内部コンクリート のみに与える構造としているため，圧縮芯鋼管表面に貼 り付けたひずみゲージの読みは小さく9 鉛直作用力に相 当するひずみは観測されなかった巳 グ、ループ Pの 圧 縮 芯 の あ る 供 試 体 P35-CR(P /P y = 0.35)を例に， 1 {jy~3 {jy時の供試体上部の載荷点から 880mmの位置(載荷点高さ h=2880皿)に貼った4枚のひず みゲージの値と水平荷重の関係を図 16に示す.この位 置では大変位でもひずみは弾性を保っている.同図で， 実線は載荷方向位置のひずみゲージの値，破線は側面位 置のゲージの値である.これらの図(a)~ (c)から繰り返 し載荷の変位が 1{jy ~3 {jyへと大きくなってもひず みの値の傾向は変わらず絶対量が変化しているだけであ ることがわかる.他の，供試体についても同様の傾向が 見られた. 4枚のひずみゲージの平均値に軸剛性EA(E:ヤング係 数， A:断面積)をかければ軸方向力となる.同じ供試体 で圧縮芯のある供試体と圧縮芯のない供試体について，3 { jy時のそれぞれ供試体上部のひずみの平均値を水平荷 重に対して図示すると図-17のようになった.同図で実 線は圧縮芯のない供試体，破線は圧縮芯のある供試体を 示す. これらの図から，軸方向ひずみは水平荷重の増加，減 少に関係なく，ほぽ一定値を保っていること，圧縮芯の ある供試体(破線)では軸方向ひずみ，すなわち軸方向力 が圧縮芯のない供試体(実線)より半減していることが読 みとれる.これから，圧縮芯は供試体に作用する軸カの ほぼ半分を分担していることがわかる.以上は供試体上 部のひずみの観察からいえることである. 供試体基部では鉛直荷重に加え，水平荷重による曲げ 圧縮力と引張力が鋼管断面の曲げ方向の外縁に作用し (図 6(a)参照)，圧縮芯のない場合には圧縮力が鋼管圧 縮部分に作用し，やがて座屈を発生させる.圧縮芯のあ る供試体では，鋼管の圧縮側の縮みが生じようとすると， ある縮み以上になると圧縮芯がこれを支え，座屈変形の 進行を防ぐ.これにより鋼管柱特有の象足座屈の発生や その後の急速な荷重低下や崩壊が生じることがなくなる. すなわち鋼管柱の崩壊につながる圧縮側の座屈変形は， 圧縮芯があれば防ぐことができ，これにより非常に大き な変位に対しでも水平荷重を保ちうるものと考えられる. 表-5 実験結果

Group 供試体名 パフメータ Hy(kN) Hmax (kN) H (100 y) (kN) HmajHy H(100y/Hy H (100 y) /Hmax μ90 μHy R4. 5-NC O. 131 77 146 1. 89 3.21 3.95 R4. 5-CR 76 157 101 2.06 1.33 0.65 3.46 >10.0 R R6.0-NC Rt 0.098 117 216 1. 85 3. 52 4.93 R6.0-CR 120 216 163 1. 80 1.36 O. 75 4.11 >10.0 R9.0-NC 0.066 206 305 1.48 3.62 4.98 R9.0-CR 198 315 286 1.59 1.44 0.91 >10.0 >10.0 P15-NC O. 15 248 389 1.57 3.42 4.54 P15-CR 246 402 321 1.62 1. 30 0.81 4.57 >10.0 P P25-NC P/Py 0.25 221 360 1.63 3.26 4.26 P25-CR 223 400 345 1.81 1.55 0.84 4.95 >10.0 P35-NC 0.35 196 353 1.80 3司12 4.17 P35-CR 196 386 350 1.97 1.79 0.91 >10.0 >10.0

124 愛知工業大学研究報告，第41号B，平成18年，Vol.41-B，Mar，2006 ハ υ A U ( Z U _司 ) 国 之

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1000 800 400 600 E(μ) 1δy 200 -400

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(c) (b) (a) 供試体上部のひずみー水平荷重関係(供詩体P35-CR) 圏ー16 400ト

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p/Py=O圃35 (f) p/Py=O.25 (e) p/Py=O.15 (d) (3δy時) ひずみの平均櫨ー水平荷重関係 国一17 重が低下して崩壊したのに対し，圧縮芯のある供試 体では最大荷重の 7~35 到の荷重低下の後はほとん ど荷重の低下はなく，108yになってもほぼ一定の 荷重を維持した.実験はここで終了したが，変形性 能は 100y以上続くと予想できる. (図 9，図 10参 照) (2)圧縮芯を設けても最大強度は圧縮芯のないものと大 きな差が現れなかった.強度が必要以上に大きくな ると地中基礎構造物の破壊が考えられ，好ましくな いが，圧縮芯を設けたことによるこのような弊害は なく，逆に変形能が大きいことによる作用地震力の 低減が期待できる. 結論 本研究は鋼製橋脚の耐震性能を向上させるために，円 形断面鋼製橋脚の中心部に圧縮芯を用いて耐震性の向上 を図る新方式橋脚を提案し，その耐震性能を実験的に検 討した.研究によって得られた結論は以下のようにまと められる. 4. (1)グループ R，グループ P共に圧縮芯を設けた橋脚モデ ノレの繰り返し載荷実験では，いずれの供試体も最大 荷重までは圧縮芯のない供試体とほぼ類似の荷重変 形特性を示した.しかし圧縮芯のない供試体は従来 の実験結呆と同様，最大荷重後，30y以降急速に荷

圧縮芯をもっ鋼管橋脚の耐震性能実験 125 (3) 径厚比パラメ}タ Rtを変化させたグル}プ Rでは， 圧縮芯の有無に関わらず， Rtが約 0.03大きくなる 毎に最大荷重は約 30角低下した.降伏水平荷重Hyで 除した場合，これらの聞の差は見られなかった(図 11(a)，図 12(a)参照). (4) 軸力比 P/Pyを 0.15， 0.25， 0.35 と増加させた実 験グ、ループPでは，軸カ比を大きくすると最大荷重 は低下するが，圧縮芯のある供試体の変化は小さか った.圧縮芯のない橋脚は P/Pyが O.1増加する毎に 約 2~ 附の荷重低下が見られた.降伏水平荷重 Hy で 除した場合，軸力比の増加によって最大強度はやや 増加する傾向が見られた(図一11(b)，図-12(b)参照). (5)圧縮芯のある供試体の変形性能をより正確に表す指 標として最大荷重から Hyまで低下する点の変位を 用いた塑性率μ H yを定義した.この塑性率を用いる と圧縮芯のない供試体では μ90 の約 20~40免大きく なるが，圧縮芯のある橋脚の変形性能が評価でき，そ の塑性率μ H yは 10以上の非常に大きな値を持つ. (図一14参照). (6) グソレープ R，グループ P共にエネルギー吸収量も，圧 縮芯のある供試体が圧縮芯のない供試体に比べて著 しく大きな値を示した. (図-15(a)，(b)参照) (7)圧縮芯は橋脚上部で，本来橋脚にかかる鉛直荷重の 約 1/2を分担しており，橋脚基部では水平荷重によ って生じる曲げ圧縮分も分担し，鋼管の圧縮部分の 座屈変形防止に役立っていると思われる. (図一16， 図一17参照) (8)実験結果を総合的に判断して，圧縮芯を設けた橋脚 は，実用的なパラメ}タの範囲で最大強度の過度の 増加がなく，変形性能，エネノレギー吸収性能の著しい 増加が認められた.このことから，圧縮芯をもっ橋脚 は従来の鋼管橋脚に比較し，極めて高い耐震性能を 有する優れた構造形式であることが実験的に確認で きた. 謝辞:本研究は，愛知工業大学耐震実験センターで行な われ，耐震実験センター研究費を使用して行いました. 学部4年生、鈴木博技術員他ご協力頂いた方に深くお礼 申し上げます. 参考文献 1) 鈴木森品，宇佐美勉，竹本潔史:銅製橋脚モデルの静 的および準静的挙動に関する実験的研究，土木学会 論文集， No. 507， 1 -30， pp99一108，1995 2) 水谷慎吾，宇佐美勉，青木徹彦，伊藤義人，岡本隆: パイプ断面鋼圧縮部材の繰り返し弾性挙動に関する 実験的研究，構造工学論文集Vol.42A， pp105~114 ， 1996. 3

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三木千寿， Jorge

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，佐々木哲也・断面変形部 を有する円形断面銅製橋脚の耐震性能の検討，土木 学会論文集No. 605/1-45， 117-127， 1998. 10 4) 村瀬清満，安原真人，渡辺忠朋，木下雅敬:コンクリ ート充填円形鋼管柱の耐荷力と変形性能の評価，構 造工学論文集， Vol. 44A， pp1555~1564 ， 1998 5) 安波博道，寺田昌弘，青木徹彦，山閏将樹:高張力 鋼(SM570Q)鋼管柱の繰り返し弾塑性挙動に関する実 験的研究，土木学会論文集，No.591/1-43，233-242， pp233-242

，

1998. 4

，

6) 宇佐美勉，渡辺孝一，金田一智章，岡本隆，池田茂: ノ、ィダクティリティー鋼製橋脚の耐震性能に関する 実験的研究，土木学会論文集，No. 591， pp207-218， 1998 7) 半野久光，田嶋仁志，池田茂，岡本隆，水谷慎吾: 縦リブを有する円形鋼製橋脚の変形性能，構造工学 論文集， Vol. 45A， pp207~214 ， 1999 8) 陵城成樹，堀江佳平，加賀山泰一，新名勉，内田輸， 渡漫英一:円形断面を有する銅製橋脚の弾塑性的挙 動と耐震性能に関する研究，構造工学論文集 Vol. 46A

，

pp215~220 ， 2000 9) 森下益臣，青木徹彦，鈴木森晶:コンクリート充填鋼 管柱の耐震性能に関する実験的研究，構造工学論文 集Vo145A

，

pp73~83 ， 2000 10)成瀬孝之，青木徹彦，鈴木森晶:繰り返し等荷重を受 ける逆

L

形鋼管橋脚の強度と変形性能に関する研究， 土木学会構造工学論文集， Vol. 47A， pp.45~56 ， 2001.3 11) (社)日本道路協会.，道路橋示方書・同解説， v耐 震設計編， 2002， 3月 12) (社)日本道路協会，道路橋支承便覧，平成 3年 7 月， p26 ( 受 理 平 成18年 3月 18日)